Bessere Batteriematerialien für die breitflächige Elektrifizierung der Wirtschaft
Drei neue Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Eisenforschung entwickeln verbesserte Batteriematerialien durch experimentelle und theoretische Methoden
Der Einsatz von Batterien in Computern, Smartphones, Elektrofahrzeugen und zahlreichen anderen Geräten ist Grundvoraussetzung für die Elektrifizierung unserer Infrastrukturen. Durch die Verwendung von grünem Strom und dem damit einhergehenden Verzicht auf fossile Brennstoffe, soll das Ziel einer klimaneutralen Wirtschaft erreicht werden. Dr. Yang Bai, Dr. Chuanlai Liu und Dr. Yug Joshi, neue Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), forschen gemeinsam daran, Batterien langlebiger und nachhaltiger zu machen und deren Speicherkapazität zu steigern. Bai und Liu leiten die Projektgruppe „Computational Energy Storage Materials“, die sich auf physikalische Simulationen und künstliche Intelligenz stützt, während Joshi die Gruppe „Microstructure and Interfaces of Battery Materials“ leitet, die sich mit der Batterieentwicklung aus experimenteller Sicht beschäftigt.
„Lithium-Ionen-Batterien sind komplexe dynamische Systeme, bei denen Aspekte der Elektrochemie, der Materialwissenschaft, der Mechanik und der Mathematik berücksichtigt werden müssen. Außerdem ist es wichtig, diese Systeme während des Betriebs zu untersuchen, um ihre Degradationsmechanismen zu erforschen. Daher nutzen wir unser selbst-entwickeltes Modellierungssystem DAMASK zusammen mit anderer Materialmodellierungssoftware, die eine genaue Simulation der Multiphysik ermöglichen. So gewinnen wir Einblicke in die elektrochemisch-mechanischen Eigenschaften", erklärt Liu. Bai ergänzt: „Es gab schon immer ein Spannungsfeld zwischen der Ladegeschwindigkeit einer Batterie und ihrer Lebensdauer. Je schneller der Ladevorgang, desto kürzer die Lebensdauer. Wir können diese Verschlechterung experimentell messen und versuchen nun den Prozess zu simulieren. So wollen wir verstehen, warum, wann und wie diese Verschlechterungen eintreten“, sagt Bai. „Während sich meine Kollegen mit Simulationen beschäftigen, verwende ich Licht- und Elektronenmikroskopie, Quarzkristall-Mikrogravimetrie und Atomsonden-Tomographie, um die Diffusionsmechanismen aufzudecken. Dabei liegt mein Schwerpunkt auf der Untersuchung der Mikrostruktur und der Grenzflächenbeschaffenheit von Elektroden und Elektrolyten. Diese steuern den Ionentransport und die Speicherung“, erklärt Joshi. Beide Forschungsgruppen werden auch Batteriematerialien entwickeln, die auf seltene Erden und andere kritische Elemente wie Kobalt verzichten, um deren Nachhaltigkeit zu verbessern.
Das Vorhandensein von nachhaltigen, effizienten und kostengünstigen Werkstoffen ist essentiell für eine zukunftsfähige Technologie und Infrastruktur. Daher widmet sich das MPIE-Team allen Aspekten der Nachhaltigkeit von Materialien: Vom Verzicht auf seltene Erden über die Herstellung von Materialien mit grünen Energiequellen und kohlenstofffreien Methoden bis hin zur Gewährleistung ihrer langen Lebensdauer und vollständigen Wiederverwertbarkeit.
Ausgewählte Publikationen über Batteriematerialien:
